説明

真空機器

【課題】 真空中における絶縁構造体の沿面での絶縁耐力を向上させた真空機器を提供するとことを目的とする。
【解決手段】 絶縁体を介して電位差のある複数の導体が接続された構造を有する5×10−2Pa以下の圧力下で使用される絶縁構造体において、少なくとも低電位となる前記導体の絶縁体に隣接する表面が、米国材料試験協会(ASTM:American Society for Testing and Materials)の規格D570に規定された23℃吸水率が0.3%以下の、エポキシ樹脂、フッ素系樹脂、シリコーン系樹脂、イミド系樹脂からなる絶縁物皮膜で被覆される。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、荷電粒子による表面改質装置、電子銃、粒子加速装置などの真空中で高電圧を利用する真空機器に関するものであり、特に、真空モータへの適用が好適である。
【背景技術】
【0002】
従来の真空機器における絶縁構造体として、例えば、特許文献1に示された構造が知られている。この特許文献1に開示された絶縁構造に対応する構造を図2に示す。
図2において、111は高電位導体であり、正の高電圧が印加される。112は低電位導体であり、通常接地される。113は絶縁体であり、高電位導体111の支持および高電位導体111と低電位導体112の電気絶縁を確保するために設けられる。低電位導体112には凹部hが形成され、絶縁体113との間にクリアランスyが設けられている。絶縁体113は、一般的に、アルミナや繊維強化プラスチック(以下、FRPという)が用いられ、その沿面における絶縁破壊を防止するのに十分な長さが設けられている。
このような絶縁構造体では、低電位導体112に凹部を形成し、低電位導体112と絶縁体113との間にクリアランスが設けられている。これにより絶縁体113の沿面における絶縁破壊の原因の一つであるトリプルジャンクション114(真空中の低電位導体112と絶縁体113との接合部)における電子の放出を抑制する。
【特許文献1】特開平8−124514号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
真空中での絶縁破壊では、高電位導体111と低電位導体112とのギャップ間の貫通破壊よりも絶縁体113の沿面破壊が支配的である。この沿面における絶縁破壊のメカニズムについて、図3をもとに説明する。
真空中で図3の高電位導体111に高電圧が印加されると、真空と低電位導体112と絶縁体113とが成すトリプルジャンクション114における電界が非常に大きくなり低電位導体112から電子が放出される。放出された一部の電子は絶縁体113に衝突する。このとき、絶縁体113から電子(二次電子)が放出され、この電子が絶縁体113に衝突することでさらに電子が放出される。このように、二次電子が次から次へと増殖される現象(二次電子なだれ現象)が電界によって高電位導体111に向かって進行する。二次電子の放出量が多いと絶縁体113の帯電量が大きくなり、絶縁破壊(沿面放電)しやすくなる。二次電子の放出量は絶縁体113の二次電子放出係数に依存し、この値が大きいほど二次電子放出量が多い。
【0004】
また、沿面放電は、絶縁体113の表面近傍における絶縁体113から放出されたガスを介しても生じるので、絶縁体113から放出されるガスの量(以下、ガス放出速度という)が多いほど絶縁破壊しやすくなる。この現象は、雰囲気圧力が5×10−2Pa以下において特に影響が大きくなる。つまり、雰囲気圧力が5×10−2Pa以下では、トリプルジャンクション114における電子の放出を抑制しても、絶縁体113が二次電子放出係数の高い材料の場合やガス放出速度が大きい材料の場合は絶縁耐力を大幅に向上できない。
【0005】
以上述べたように、真空中での沿面における絶縁破壊には、トリプルジャンクション114における電子の放出と絶縁体113の二次電子放出係数と絶縁体113からのガス放出速度が関係している。従来の真空中における絶縁構造体は、トリプルジャンクション114における電子の放出を抑制しているが、絶縁体113にアルミナのような二次電子放出係数がFRPなどの樹脂に比べて桁違いに大きい材料やFRPのようなガス放出速度の大きい材料が使用されるので、絶縁耐力の向上には限界があった。つまり、絶縁体113にこれらの材料が使用される場合、絶縁耐力を向上させるためには沿面距離を長くしなければならない。このため、装置の小型化が困難という問題や、装置の大きさが制限される場合は、十分な沿面距離を確保できずに、絶縁信頼性が低下するというような問題があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、真空中における絶縁構造体の沿面での絶縁耐力を向上させた真空機器を提供するとことを目的とする。本発明により、真空機器の小型化を実現することができ、また、絶縁信頼性の高い絶縁構造体を提供することができる。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本願の代表的な発明は、高電位が与えられる高電位導体と、低電位が与えられる低電位導体と、これらの導体間に接続された絶縁体に隣接する前記低電位導体の表面上に形成され、米国材料試験協会(ASTM:American Society for Testing and Materials)の規格D570に規定された23℃の吸水率が0.3%以下である絶縁物皮膜とを備えた真空雰囲気で用いられる真空機器である。
また、本願の他の代表的な発明は、高電圧が印加される第1の導体および低電位が印加される第2の導体間に絶縁体が接続された絶縁構造体を備え、5×10−2Pa以下の圧力下で使用される真空機器であって、前記絶縁体に隣接する第2の導体の表面上に形成された絶縁体皮膜が、米国材料試験協会(ASTM:American Society for Testing and Materials)の規格D570に規定された23℃吸水率が0.3%以下のエポキシ樹脂組成物であり、前記エポキシ樹脂組成物は、少なくとも主剤と反応性希釈剤と触媒型硬化剤とから構成され、前記主剤は、ビスフェノール型、または、芳香族環、五員環、脂肪族六員環、ジシクロペンタジエン構造、ノボラック構造、メソゲン基のいずれかを含む環状の化学構造より選ばれる1つ、またはそれらの混合物であり、前記反応性希釈剤の化学構造は、ブチルグリシジルエーテル、フェニルグリシジルエーテルなどの単官能型、または直鎖脂肪族、ポリグリコール、ポリエーテル、ポリチオールなどの2官能型、またはそれらの混合物であり、前記触媒型硬化剤はイミダゾール化合物、または、3フッ化ホウ素アミン錯体である真空機器である。
さらに、本願の他の代表的な発明は、上記発明で用いられるイミダゾール化合物を2メチルイミダゾール、2エチル4メチルイミダゾール、nウンデシルイミダゾール、1ベンジル2メチルイミダゾール、または、それらの混合物とし、その配合比を前記主剤と前記反応性希釈剤との合計100重量部に対して前記触媒型硬化剤が0.5重量部以上7重量部以下としたものである。
また、本願の他の代表的な発明は、高電圧が印加される第1および低電圧が印加される第2の導体間に絶縁体が接続された絶縁構造体を備え、5×10−2Pa以下の圧力下で使用される真空機器であって、少なくとも、前記絶縁体に隣接する前記第2の導体の表面上に形成された絶縁体皮膜が、フッ素系樹脂またはシリコーン系樹脂またはポリイミド系樹脂である真空機器である。
本願の他の発明については、本願明細書および図面の開示を参照すれば理解できるであろう。
【発明の効果】
【0007】
本願の代表的な発明によれば、低電位導体への塗布などのきわめて簡易な絶縁処理方法で二次電子なだれが生じにくい真空機器を実現できる。従って、真空中での絶縁体の沿面における絶縁耐力が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【0008】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図1は本実施形態の真空機器における絶縁構造体の部分拡大断面図である。図1において、絶縁物皮膜1は、、高電位導体111と低電位導体112との間に接続された絶縁体に接する低電位導体の表面に隣接する低電位導体の表面上に形成されている。すなわち、絶縁体113に接に隣接する低電位導体112の表面上に所定距離だけ延在して形成されている。

このような構成によれば、二次電子なだれが生じやすい絶縁体113とトリプルジャンクション114との距離を確保でき、トリプルジャンクション114で発生した電子が絶縁体113に衝突せずに、二次電子放出係数の小さい絶縁物皮膜1に衝突することで二次電子の放出を抑制することができる。よって、真空中での絶縁体113の沿面における二次電子なだれ、つまり沿面破壊が防止され、絶縁耐力が向上する。結果として小型化の真空機器を実現することができる。
さらに、絶縁物皮膜1は塗布によっても形成できるため、それ自身の形状が簡単であり、また、複雑な形状の低電位導体112や絶縁体113であっても容易に形成され、また、低電位導体と絶縁体113との界面の接着やシールを兼ねることも出来るため、真空機器の小型化に大きく寄与することができる。
なお、本実施形態においては、高電位導体111には正の高電位が印加され、低電位導体112には基準電位である接地電位が与えられているが、高電位導体111と低電位導体112との間に所定の電位差(電圧)を生じさせるものであれば本実施形態の態様に限らない。すなわち、所定の電圧が確保できるものであれば、負の電圧となり得る導体に絶縁物皮膜1を形成することで、正負の電圧を含めて適宜設定できる。
ここで、図1における絶縁物皮膜1によって確保するべき、絶縁体113とトリプルジャンクション114との距離xは、少なくとも電子の放出点から次に絶縁物皮膜1上に衝突するまでの距離以上である。非特許文献1を参照すれば、この距離は高々20μm程度であるので、、少なくとも20μm以上の絶縁物皮膜を低電位導体112の所定の表面上に施すことで本発明の効果が得られる。本発明者の知見では、実際の製造プロセス上のマージンを考慮して、距離xを50μm以上にすることが望ましい。絶縁物皮膜の形成方法によっては50μmよりも大きく形成されることもある。また、低電位導体112に接点や端子などの導体の露出部分が不要である場合は、その全面あるいは広範囲の表面に絶縁物皮膜1を施すこともできる。
なお、絶縁物皮膜1は、絶縁体113とトリプルジャンクション114との距離を確保するために設けれているので、その厚さは特に限定されるものではないが、本実施形態では、膜厚10μmの絶縁物皮膜1を用いている

【非特許文献1】電気学会研究会資料 放電研究会ED−99−187、P25〜P30(1999年11月19日)以下、本実施形態に係る種々の実施例を説明する。
【実施例1】
【0009】
絶縁物皮膜1を構成する本実施例のエポキシ樹脂組成物1は触媒型硬化剤で硬化させ、下記の化学構造を持つものとした。本実施例で用いたエポキシ樹脂組成物は米国材料試験協会(ASTM:American Society for Testing and Materials)の規格D570に規定された23℃吸水率が0.3%以下のエポキシ樹脂組成物である。エポキシ樹脂組成物における、主剤、希釈剤、硬化剤、充填材の組み合わせと配合比(重量部)は表1のとおりである。
(a)ナフタレン型エポキシ樹脂
(b)ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂
(c)メソゲン基を持つエポキシ樹脂
(d)ビスフェノール型エポキシ樹脂
(e)フェニルグリシジルエーテル(反応性希釈剤の一例)
(f)2エチル4メチルイミダゾール
(g)2メチルイミダゾール
(h)3フッ化ホウ素アニリン錯体
(i)ジアミノジフェニルメタン系硬化剤
(j)シリカ(充填材の一例)
【0010】
【表1】

【0011】
表1に示す組成のエポキシ樹脂組成物からなる絶縁物皮膜1を低電位導体112の表面に被覆して、絶縁体113の沿面における絶縁耐力を調べた。いずれの場合も、絶縁体113の縁からトリプルジャンクション114までの絶縁物皮膜1の幅xは1mmとし、絶縁体113にはアルミナおよびFRPを用いた。また、絶縁物皮膜の厚さは0.3mmとした。
絶縁耐力を調べる場合、雰囲気圧力を約1×10−4Paとし、絶縁体113の沿面距離つまり高電位導体111と低電位導体112(接地)との距離を2mmとして高電位導体111に電圧を印加した。また、絶縁耐力には表面の清浄度などが影響することが知られているので、この影響を低減するために、放電20回のコンディショニング後のデータで試料間の比較を行った。
なお、絶縁耐力の従来例には図2の構造の絶縁構造体を用い、図2中y、hはいずれも0.2mmとした。従来例の絶縁体113にはアルミナおよびFRPを用いた。
表2に評価結果を示す。絶縁耐力はいずれも相対値である。表1に示した全てのエポキシ樹脂組成物において、絶縁体113がアルミナの場合もFRPの場合も絶縁耐力は表1に示すエポキシ樹脂組成物からなる絶縁体皮膜により向上している。
なお、本実施例の雰囲気圧力は約1×10−4Paとしたが、沿面放電は雰囲気圧力が5×10−2Pa以下において特に影響が大きくなる。
【0012】
【表2】

【0013】
次に、絶縁物皮膜1の幅の影響を調べるために、絶縁物皮膜1に表1の材質(1)を用い、その塗布の幅を変えて同様な実験を行った。また、絶縁物皮膜の厚さは0.5mmとした。表3に結果を示す。また、絶縁耐力は表1の絶縁体113がアルミナの場合の従来例に対する相対値である。
表3において、絶縁体113がアルミナの場合もFRPの場合も絶縁耐力は5倍以上向上していることがわかる。
【0014】
以上の結果から、絶縁物皮膜の幅は、非特許文献1より推測される必要値の数十μmより数倍大きな値である0.1mm以上であれば、いかなる値をとっても効果が確認された。
【0015】
【表3】

【実施例2】
【0016】
第二の実施例はエポキシ樹脂塑性物以外の吸水率が小さい材料を絶縁物皮膜として適用したものである。
【0017】
本実施例の絶縁物皮膜1で用いた材料は、以下に示す米国材料試験協会(ASTM)の規格D570に規定された23℃吸水率が0.3%以下の材料である。熱融着性のフッ素樹脂フィルム(14)、(15)を用いた実施例では、また、絶縁物皮膜の厚さは0.05mmとし、低電位導体112と絶縁体113の間にこのフィルムを挿入して熱融着させて、低電位導体112と絶縁体113の固定と絶縁物皮膜1の形成を同時に行った。また、液状の原料である(16)から(21)を用いた実施例では、固定された絶縁体113周辺に塗布し乾燥することで絶縁物皮膜1を形成した。また、絶縁物皮膜1の幅は表4に示す様々な値をとり、絶縁物皮膜の厚さは0.1mmとした。
(14)熱融着性のフッ素系樹脂フィルム:ネオフロンEFEP(ダイキン工業製)
(15)熱融着性のフッ素系樹脂フィルム:シルキーボンド(潤工舎製)
(16)フッ素系樹脂塗料:ルミフロン(R)(旭硝子製)
(17)フッ素系樹脂塗料:カンペフロン(R)HD(関西ペイント製)
(18)シリコーン系樹脂ワニス:TSR116(モメンティブ製)
(19)シリコーン系樹脂:SE1713(東レダウコーニングシリコーン製)
(20)ポリアミドイミドワニス:HPC−5000(日立化成製)
(21)ポリイミド系ワニス:CT4200H(京セラケミカル製)
【0018】
表4に結果を示す。絶縁耐力はいずれも相対値である。表4に示した吸水率が小さい材料を絶縁物皮膜1として施すことで、絶縁体113がアルミナの場合もFRPの場合も絶縁耐力は向上している。
【0019】
【表4】

【0020】
以上述べたように、低電位導体表面の前記絶縁体に接した縁近傍に絶縁物皮膜を施すことで絶縁耐力を大幅に向上させることができるので、本発明の真空中における絶縁構造体を荷電粒子による表面改質装置,電子銃,粒子加速装置および真空モータの電気絶縁部に適用すれば、それらの絶縁耐力を向上でき、装置の小型化が可能であることは言うまでもない。
【0021】
なお、上記各実施例における触媒型硬化剤の配合比は、主剤と反応性希釈剤との合計100重量部に対して0.5重量部以上7重量部以下が最適である。この範囲の配合比であれば、硬化反応が適切な速度となり、硬化収縮も抑制されてクラックが実質的に発生することもなく、安定した品質の製品が実現できる。
また、本発明における絶縁体113の形状は、実施例に示した柱状でなくても、管状や箱状でその両端に導体を接続したものでも良く、また管状や箱状の内部の空間を真空雰囲気とし、内部の絶縁耐力を向上させたものでも良い。これは実施例における絶縁体の表面を管状や箱状の内壁と置き換え、真空雰囲気をその内部空間と置き換えることで理解できるであろう。
【図面の簡単な説明】
【0022】
【図1】本実施形態の真空機器における絶縁構造体の側断面図
【図2】従来例における絶縁構造体の側断面図
【図3】従来例の絶縁構造体において沿面における絶縁破壊メカニズムを説明するための側断面図
【符号の説明】
【0023】
1 絶縁物皮膜
111 高電位導体(正の高電圧印加部)
112 低電位導体(接地部)
113 絶縁体
114 トリプルジャンクション

【特許請求の範囲】
【請求項1】
高電位が与えられる高電位導体と、
低電位が与えられる低電位導体と、
前記高電位導体と前記低電位導体との間に接続された絶縁体と、
前記絶縁体に接する前記低電位導体の表面に隣接する前記低電位導体の表面上に形成され、米国材料試験協会(ASTM:American Society for Testing and Materials) の規格D570に規定された23℃の吸水率が0.3%以下である絶縁物被膜とを備えたことを特徴とする真空雰囲気で用いられる真空機器。
【請求項2】
前記絶縁物皮膜は、前記絶縁体から20μm以上延在して形成されたことを特徴とする請求項1記載の真空機器。
【請求項3】
前記絶縁物皮膜は、前記絶縁体から50μm以上延在して形成されたことを特徴とする請求項2記載の真空機器。
【請求項4】
前記真空雰囲気は1×10−2Pa以下であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか記載の真空機器。
【請求項5】
前記絶縁物被膜はエポキシ樹脂組成物であり、前記エポキシ樹脂組成物は少なくとも主剤と反応性希釈剤と触媒型硬化剤とから構成され、前記主剤は、ビスフェノール型、または、芳香族環、五員環、脂肪族六員環、ジシクロペンタジエン構造、ノボラック構造、メソゲン基のいずれかを含む環状の化学構造より選ばれる1つ、またはそれらの混合物であり、前記反応性希釈剤の化学構造は、ブチルグリシジルエーテル、フェニルグリシジルエーテルなどの単官能型、または直鎖脂肪族、ポリグリコール、ポリエーテル、ポリチオールなどの2官能型、またはそれらの混合物であり、前記触媒型硬化剤はイミダゾール化合物、または、3フッ化ホウ素アミン錯体であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか記載の真空機器。
【請求項6】
前記イミダゾール化合物は2メチルイミダゾール、2エチル4メチルイミダゾール、nウンデシルイミダゾール、1ベンジル2メチルイミダゾール、または、それらの混合物であり、その配合比が前記主剤と前記反応性希釈剤との合計100重量部に対して前記触媒型硬化剤が0.5重量部以上7重量部以下であることを特徴とする請求項5記載の真空機器。
【請求項7】
前記3フッ化ホウ素アミン錯体は3フッ化ホウ素アニリン錯体、3フッ化ホウ素クロロフェニルアミン錯体、またはそれらの混合物であることを特徴とする請求項5または6記載の真空機器。
【請求項8】
前記絶縁物被膜は、フッ素系樹脂またはシリコーン系樹脂またはポリイミド系樹脂であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか記載の真空機器。
【請求項9】
前記絶縁体はアルミナまたは繊維強化プラスチックであることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか記載の真空機器。
【請求項10】
前記絶縁体は内部に真空排気された空間を持つことを特徴とする請求項1乃至9のいずれか記載の真空機器。
【請求項11】
高電圧が印加される第1および低電圧が印加される第2の導体間に絶縁体が接続された絶縁構造体を備え、5×10−2Pa以下の圧力下で使用される真空機器であって、
少なくとも、前記絶縁体に接続された前記第2の導体の表面に隣接する前記第2の導体の表面上に形成され、米国材料試験協会(ASTM:American Society for Testing and Materials)の規格D570に規定された23℃吸水率が0.3%以下の絶縁物被膜であり、
前記絶縁物被膜はエポキシ樹脂組成物であり、少なくとも主剤と反応性希釈剤と触媒型硬化剤とから構成され、前記主剤は、ビスフェノール型、または、芳香族環、五員環、脂肪族六員環、ジシクロペンタジエン構造、ノボラック構造、メソゲン基のいずれかを含む環状の化学構造より選ばれる1つ、またはそれらの混合物であり、前記反応性希釈剤の化学構造は、ブチルグリシジルエーテル、フェニルグリシジルエーテルなどの単官能型、または直鎖脂肪族、ポリグリコール、ポリエーテル、ポリチオールなどの2官能型、またはそれらの混合物であり、前記触媒型硬化剤はイミダゾール化合物、または、3フッ化ホウ素アミン錯体であることを特徴とする真空機器。
【請求項12】
前記イミダゾール化合物は2メチルイミダゾール、2エチル4メチルイミダゾール、nウンデシルイミダゾール、1ベンジル2メチルイミダゾール、または、それらの混合物であり、その配合比が前記主剤と前記反応性希釈剤との合計100重量部に対して前記触媒型硬化剤が0.5重量部以上7重量部以下であることを特徴とする請求項11記載の真空機器。
【請求項13】
前記3フッ化ホウ素アミン錯体は3フッ化ホウ素アニリン錯体、3フッ化ホウ素クロロフェニルアミン錯体、またはそれらの混合物であることを特徴とする請求項11または12記載の真空機器。
【請求項14】
高電圧が印加される第1および低電圧が印加される第2の導体間に絶縁体が接続された絶縁構造体を備え、5×10−2Pa以下の圧力下で使用される真空機器であって、
少なくとも、前記絶縁体に接続された前記第2の導体の面に隣接する前記第2の導体の表面上に形成され、米国材料試験協会(ASTM:American Society for Testing and Materials)の規格D570に規定された23℃吸水率が0.3%以下の絶縁物被膜であり、前記絶縁物被膜はフッ素系樹脂またはシリコーン系樹脂またはポリイミド系樹脂であることを特徴とする真空機器。
【請求項15】
前記絶縁体は内部に真空排気された空間を持つことを特徴とする請求項11乃至14のいずれかに記載の真空機器。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【公開番号】特開2010−129356(P2010−129356A)
【公開日】平成22年6月10日(2010.6.10)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−302483(P2008−302483)
【出願日】平成20年11月27日(2008.11.27)
【出願人】(000006622)株式会社安川電機 (2,482)